(57)【要約】【課題】自動車用の重畳形ステアリングシステム又は重畳角操作部を、動挙動、触覚、音響及び／又は堅牢性といった性質に関して改善する。【解決手段】自動車の重畳形ステアリングシステム（１）の重畳角操作部（９）の操作角（δM）及び出力トルクの制御を行うに際して、少なくとも操作角（δM）の制御を非線形補償コントローラ（１３’ａ）によって行われるようにした。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の重畳形ステアリングシステム（１）の重畳角操作部（９）の操作角（δM）及び出力トルクの制御のための制御方法において、
少なくとも操作角（δM）の制御が非線形補償コントローラ（１９’、１９”、１９”’）によって行われることを特徴とする制御方法。
【請求項２】
重畳角操作部が電動機（９）であることを特徴とする、請求項１に記載の制御方法。
【請求項３】
出力トルクの制御が電動機（９）の電流制御によって行なわれることを特徴とする、請求項２に記載の制御方法。
【請求項４】
電動機（９）の電流制御がフィールドオリエンテッドコントロールにより行われることを特徴とする、請求項３に記載の制御方法。
【請求項５】
さらに出力トルクの制御が非線形補償コントローラ（１９”、１９”’）によって行われることを特徴とする、請求項１に記載の制御方法。
【請求項６】
非線形補償コントローラ（１９’）がトルク算出コントローラとして形成されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の制御方法。
【請求項７】
非線形補償コントローラ（１９”）が完全線形化に基づくことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の制御方法。
【請求項８】
非線形補償コントローラ（１９”’）がスライディングモードコントローラとして形成されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の制御方法。
【請求項９】
システム誤差の補償のためにさらに不連続コントローラ（２１）が使用されることを特徴とする、請求項８に記載の制御方法。
【請求項１０】
少なくとも１個の微分前置フィルタ（１８ａ、１８ｂ）が使用されることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の制御方法。
【請求項１１】
重畳形ステアリングシステム（１）の合成ラックギヤ力をモデルに基づいて推定することを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の制御方法。
【請求項１２】
少なくとも２つの極点の極点設定を行うことを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の制御方法。
【請求項１３】
自動車の重畳形ステアリングシステム（１）の重畳角操作部（９）の操作角（δM）及び出力トルクの制御のための制御構造（１３’、１３”、１３”’）において、
少なくとも操作角（δM）の制御のために非線形補償コントローラ（１９’、１９”、１９”’）が設けられていることを特徴とする制御構造。
【請求項１４】
出力トルクの制御のためにも非線形補償コントローラ（１９”、１９”’）が設けられていることを特徴とする、請求項１３に記載の制御構造（１３’、１３”、１３”’）。
【請求項１５】
請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の制御方法の実施のための手段を有する請求項１３または１４に記載の制御構造（１３’、１３”、１３”’）。
【請求項１６】
プログラムがコンピュータのマイクロプロセッサで、重畳形ステアリングシステム（１）の制御装置（１１）で実行される場合に、自動車の重畳形ステアリングシステム（１）の操作角（δM）及び出力トルクの制御のための請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の制御方法を行うための、プログラムコード手段を備えたコンピュータプログラム。
【請求項１７】
プログラムがコンピュータのマイクロプロセッサで、重畳形ステアリングシステム（１）の制御器（１１）で実行される場合に、自動車の重畳形ステアリングシステム（１）の操作角（δM）及び出力トルクの制御のための請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の制御方法を行うために、コンピュータ読み取り可能なデータ媒体に記憶された、プログラムコード手段を備えたコンピュータプログラム製品。
【請求項１８】
自動車の少なくとも１個のかじ取り可能な車輪（５ａ、５ｂ）の所望のかじ取り角（δFm）の尺度としてステアリングホイール角（δS）を設定するためのステアリングハンドルと、
ステアリングホイール角（δS）を自動車の少なくとも１個のかじ取り可能な車輪（５ａ、５ｂ）のかじ取り角（δFm）に変換するステアリングギヤ（２）と、
重畳角操作部（９）により操作角（δM）を生成し、ステアリングホイール角（δS）と操作角を重ね合わせてステアリングギヤ（４）の入力角（δG）を生成するための重畳手段（８）と、を有し、
重畳角操作部（９）が請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載の制御構造によって制御される自動車の重畳形ステアリングシステム（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車の重畳（重ね合わせ）形ステアリングシステムの重畳角操作部の操作角及び出力トルクの制御のための制御方法及び制御構造に関する。また本発明は制御方法を行うためのコンピュータプログラム及びコンピュータプログラム製品並びに重畳形ステアリングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ドイツ特許公開ＤＥ１９７５１１２５Ａ１によりステアリングシステムの操作方法が公知である。ここでは運転者がステアリングホイールによって生じさせるステアリング運動、即ちステアリングホイール角は、重畳ギヤによってアクチュエータ又は重畳角操作部の運動、即ちモータ角又は操作角と重ね合わされる。こうして生じた重畳運動は、ステアリング角の調整のために、ステアリングギヤ又はステアリングリンケージを介してかじ取り可能に構成された車輪へ伝達される。ここではアクチュエータは電動機として構成されている。このようなパワーステアリングシステムの機能原理又は実用化は、特にステアリングが重畳ギヤの変速比によって間接的に遂行され、こうして小さなステアリングホイール・トルクが得られることにある。これに基づいて通常の大きさのステアリングホイール角で所要の出力角が設定できるように、適当な操作角を重ね合わせることによって、非常に大きなステアリングホイール角が回避される。ステアリングのアシストのために必要な操作角又はその目標値はステアリングホイール角から決定される。また操作角は、センサ及び／又はその他の車両システム、例えばエレクトロニック・スタビリティー・プログラム（ＥＳＰ）により検出された車両運動を表す信号にも関係する。これは、必要なモータ操作角の決定のため又は実用化の制御のために必要なプログラムを実行する制御装置によって行われる。
【０００３】
自動車のこのような重畳形ステアリングシステムの重畳角操作部又は電動機の操作角及び出力トルクの制御は通常、操作角位置のシーケンス制御及び出力トルクの電流制御によってカスケード制御として行われる。
【０００４】
制御においては重畳形ステアリングシステムの下記の性質が考慮される。
−ステアリングの動挙動、即ち動的起動及び操縦挙動、
−ステアリングトルクの感触、即ち粗さ又は波打ち（いわゆる「リップル」）、
−音響、
−重畳角操作部の堅牢性、即ち機械的性質、例えば付着摩擦又は粘性減衰の変化及び環境の影響、例えば温度、製造精度及び許容差に対する感受性。
【特許文献１】ドイツ国特許公開公報ＤＥ１９７５１１２５Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の根底にあるのは、重畳形ステアリングシステム又は重畳角操作部を動挙動、触覚、音響及び／又は堅牢性といった性質に関して改善する、冒頭に挙げた種類の制御方法及び制御構造を提供する課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に基づきこの課題は自動車の重畳形ステアリングシステムの重畳角操作部の操作角及び出力トルクの制御のための制御方法において、少なくとも操作角の制御が非線形補償コントローラによって行われる制御方法によって解決される。
【０００７】
制御構造に関しては、この課題は請求項１３によって解決される。
【０００８】
非線形補償コントローラを使用することによって、重畳角操作部の起動又は操縦挙動の著しい改善が得られる利点がある。さらにアクチュエータの動挙動の直接的な数学的物理学的設定が可能になる。即ち触覚及び音響に直接影響を及ぼすことができる。制御対象の性質（例えば摩擦等）の周知のバラツキをコントローラの設計の際にすでに考慮することができるから、使用時の重畳角操作部の安定性又は堅牢性が著しく高められる。同時に制御技術の周知の定評ある方法によるコントローラの設計は、コントローラの安定性の証明と品質を暗黙のうちに示している。
【０００９】
また本発明に基づき、さらに出力トルクの制御が非線形補償コントローラによって行なわれるように構成することができる。
【００１０】
それによって重畳角操作部の操作角の制御も、出力トルクの制御も、非線形補償コントローラによって行うことができる利点がある。
【００１１】
非線形補償コントローラとしてとりわけ
−トルク算出コントローラ
−完全線形化に基づく補償コントローラ
−スライディングモードコントローラ
が考えられる。
【００１２】
このような補償コントローラ又はコントローラ案は例えば“W.Kleiner, Theoretische Modellbildung,Rechnersimulation und Regelung raeumlicher serv-opneumatischer Parallelroboter, Dissertation, Universitaet Kassel, Fachbe-reich Maschinennbau, Fachgebiet Regelungstechnik, Shaker Verlag, 2002”(W．クライナー著、立体的サーボ空気式並列ロボットの理論的モデル構成、コンピュータシミュレーション及び制御、カッセル大学学位請求論文、専攻領域・機械製造、専攻分野・制御工学、シャーカー出版社、２００２年刊)で詳しく説明されている。
【００１３】
システム誤差の補償のために、さらに不連続コントローラを使用すれば好都合である。
【００１４】
少なくとも１個の微分前置フィルタ又は状態変数フィルタを使用することが好ましい。
【００１５】
モデルに基づいて合成ラックギヤ力を推定すれば好都合である。この推定方法の実施は、例えば“B.Pnini, Steering Rack Force Model for Active Steering Systems, Diplomarbeit, Department of Machine and Vehicle Systems, Ch-almers University of Technology, Sweden, 2004”(Ｂ．プニーニ著、アクティブ・ステアリングシステムのためのステアリング・ラック力モデル、スエーデン、チャマーズ工科大学機械・車両システム学部卒業論文、２００４年)に記載されている。
【００１６】
少なくとも２つ、特に３つの極点の極点設定を指定することもできる。
【００１７】
自動車の重畳形ステアリングシステムの重畳角操作部の操作角及び出力トルクの制御のための本発明に基づく制御方法は、とりわけ重畳形ステアリングシステムの制御装置でコンピュータプログラムとして実現される。そのためにコンピュータプログラムが制御装置の記憶素子に記憶される。制御装置のマイクロプロセッサで処理することによって、この方法が実行される。コンピュータプログラムはコンピュータ読み取り可能なデータ媒体（フロッピーディスク、ＣＤ、ＤＶＤ、ハードディスク、ＵＳＢメモリースティック等）又はインターネットサーバーにコンピュータプログラム製品として記憶し、そこから制御装置の記憶素子に伝送することができる。プログラムコード手段を有するこのようなコンピュータプログラム又はコンピュータプログラム製品は請求項１６又は請求項１７に示されている。
【００１８】
請求項１８は自動車の重畳形ステアリングシステムに関するものである。
【００１９】
発明のその他の有利な実施態様及び改良は、その他の従属請求項で明らかである。次に図面に基づいて発明の実施例の概要を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図示しない自動車の重畳形ステアリングシステム１を図１に示す。重畳形ステアリングシステム１はステアリングホイール２として形成されたステアリングハンドルを有する。ステアリングホイール２はカルダン軸３を介してステアリングギヤ４と連結される。ステアリングギヤ４はカルダン軸３の回転角を自動車のかじ取り可能な車輪５ａ、５ｂのかじ取り角δFmに変換するためのものである。ステアリングギヤ４はラック６とピニオン７を有し、ピニオン７にカルダン軸３が作用する。重畳形ステアリングシステム１はさらに重畳手段８を具備する。重畳手段８は電動機９として形成されたアクチュエータ又は重畳角操作部及びこれによって駆動される重畳ギヤ１０を有する。重畳ギヤは遊星歯車装置１０として形成されている。ステアリングホイール２によってステアリングホイール角δSが、自動車のかじ取り可能な車輪５ａ、５ｂの所望のかじ取り角δFmの尺度として設定される。次に電動機９によって重畳角δMが発生され、重畳ギヤ１０によってステアリングホイール角δSと重ね合わせられる。操作角δMは自動車の運転動挙動又は快適性を改善するために生成される。ステアリングホイール角δSと操作角δMの和がステアリングギヤ４の入力角又は本例ではピニオン角δGとなる。
【００２１】
図示しない別の実施例では、重畳形ステアリングシステム１はさらに重畳手段８の後方に、特に可変的トルク増強のためのブースタを備えることができる。
【００２２】
重畳形ステアリングシステム１は、とりわけ電動機９の操作角δM及び出力トルクの制御にも使用される電子制御装置１１を有する。そのために制御装置１１の図示しないマイクロプロセッサで制御構造として又はコンピュータプログラムとして構成された制御方法が、電子制御装置１１で実行される。電動機９は、電動機９によって重ね合わせられる操作角δMの目標値に相当する電気駆動信号δMdによって駆動される。電動機９の駆動又は制御はとりわけ自動車の車速ｖXに応じて行われる。即ちステアリングホイール角δSとピニオン角δG又は車輪５ａ、５ｂのかじ取り角δFmとの間の変速比は、かじ取り角δSに種々の速度依存性操作角δMを重ね合わせることにより車速ｖXに応じて調整される。こうして例えば低い車速ｖXで比較的小さな変速比を指定することが可能であり、その場合ステアリングホイール２の比較的小さな回転が車輪５ａ、５ｂの比較的大きなかじ取り角δFmをもたらす。同様に高い車速ｖXで安定性の理由から、比較的大きな変速比を指定することが考えられる。但しこの車速ｖXへの依存性は任意選択である。
【００２３】
上記の開ループ又は閉ループ制御機能を遂行するために、制御装置１１は入力信号として現在の車速ＶXを受け取る（例えば自動車のＣＡＮバスを介して）。また重畳形ステアリングシステム１はステアリングホイール角δS、操作角δM及びピニオン角δGを測定し又は等価信号を送出するセンサ１２ａ、１２ｂ、１２ｃを有し、この信号からこれらの角を決定することができる。図１に示唆するように、センサ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及びその他の車両システムによりとりわけ入力信号、即ちステアリングホイール角δS、ピニオン角δG、操作角δM及び操作角δMの目標値が（例えばその他のビークルダイナミクスシステムの設定値として）制御装置１１に送られる。代案として又は補足的に、これらの量の幾つかを他の又は別の入力量（例えば車輪回転数等）に基づき、特に適当なモデルを用いて計算してもよい。
【００２４】
図２に重畳形ステアリングシステム１の電動機９の操作角δM及び出力トルクの制御のための周知の制御回路又は制御構造のブロック構成図を示す。また制御回路はカスケードコントローラとして構成されたコントローラ１３、制御対象１４、外乱１５及び信号処理部１６を有する。コントローラ１３は操作角のためのシーケンス制御１３ａ及び電流制御１３ｂとして構成された電動機９の出力トルク制御を有する。シーケンス制御１３ａは入力として目標操作角δMd、現在測定又は検出された操作角δM及び現在測定又は検出された操作角速度δM’を受け取り、所望の目標トルクＭdを電流制御１３ｂへ送る。また電流制御１３ｂは入力として現在の操作角δM及び操作角速度δM’並びに電動機９の相電流Ｉu、Ｉvを受け取る。電流制御１３ｂ又はコントローラ１３は駆動信号として電圧Ｕsq、Ｕsdを電動機９又は制御対象１４へ送る。また制御対象１４は作動機構１７を有する。作動機構１７は最終的に操作角δMを発生し、検出された現在の操作角速度δM’を電動機９へ、検出された現在の操作角δMを信号処理部１６へ返送する。外乱１５はステアリングホイール運動１５ａ及び車両運動又は油圧系１５ｂからなる。油圧系１５ｂは、ステアリングホイール角δS又はその速度δS’又はその加速δS”に関係するステアリングホイール運動の反作用力ＦSもしくは車両運動の力ＦFZGにより、左右の油圧室の圧力差又はピニオン角δGに依存するラック６を介して制御対象１４に作用する。
【００２５】
次に図３、４及び５に基づいて、図２の周知のコントローラ１３に代わる制御構造の本発明に基づく３つの実施形態１３’、１３”、１３”’を示す。制御構造１３’、１３”、１３”’は本発明に基づく制御方法の実施のために適しており、又は本発明に基づく制御方法の簡素化されたブロック構成図を示す。
【００２６】
図３の制御構造１３’はトルク演算コントローラとして構成された非線形補償コントローラ１３’ａを有する。非線形補償コントローラ１３’ａは電動機９の所望の目標トルクＭdを同じく設けられた図２の周知の電流制御１３ｂに送る。また微分前置フィルタ１８ａ及び１８ｂが設けられ、所望の目標操作角δMd又は現在測定された操作角δMからそれぞれ当該の速度δM’、δMd”を決定し、極点設定装置１９、補償コントローラ１３’ａ及びトルクの電流制御１３ｂへ送る。極点設定装置１９は非線形補償コントローラ１３’ａに対して２つの極点を決定する。本例で非線形補償コントローラ１３’ａは作動機構１７だけを考慮する。そのためにコントローラ係数Ｋ0、Ｋ1が設定される。本例では電流制御１３ｂはフィールドオリエンテッドコントロールで行われる。さらにユニット２０で合成ラックギヤ力ＦRがモデルに基づいて推定される。ラックギヤ力ＦRは非線形補償コントローラ１３’ａに入力として送られる。また相電流Ｉu，v，w及び相電圧Ｕu，v，wが電流制御１３ｂに与えられる。制御構造１３’は電動機９の駆動信号としての電圧Ｕsq、Ｕsdを出力信号として送出する（図２と同様）。
【００２７】
図４に本発明に基づく制御構造１３”の別の実施形態を示す。その場合非線形補償コントローラ１３”ｃによって操作角δMの制御も電動機９の出力トルクの制御も行われる。非線形補償コントローラ１３”ｃは機械的及び電子的システムダイナミックスを考慮し、不完全線形化に基づいている。またこの場合極点設定装置１９”がコントローラ係数Ｋ0、Ｋ1、Ｋ2により３つの極点を設定する。こうして制御構造１３”は全重畳角操作部又は電動機９の逆モデルを包含する。
【００２８】
図５に本発明に基づく制御方法又は本発明に基づく制御構造１３”’の第３の実施形態を示す。その場合全電動機９又は全制御対象１４の逆モデル、即ち機械的及び電子的システムダイナミックスを考慮する非線形補償コントローラ１３”’ｃが設けられている。非線形補償コントローラ１３”’ｃはスライディングモードコントローラとして構成される。さらにシステム誤差の補償のために不連続コントローラ２１が設けられている。この補助不連続コントローラ２１は上位にあり、誤差又は万一誤ったパラメータがあっても、全系が引続き安定を保つことを保証する。制御偏差があったときに誤差の符号（sign(s)）に応じて適当な補正が行われる。そのためにコントローラ係数ＫSM（δM’）及びモデル誤差に関する係数λが設定される。このような補償コントローラ１３’ａ、１３”ｃ、１３”’ｃ、当該のコントローラ係数Ｋ0、Ｋ1、Ｋ2、ＫSMの決定及びモデル誤差に関する係数λの決定は“W.Kleiner, Theoretische Modellbildung,Rechnersimulation und Regelung raeumlicher servopneumatischer Parallelroboter, Dissertation,   Universitaet Kassel, Fachbereich Maschinennbau, Fachgebiet Regelungste-chnik, Shaker Verlag, 2002”(W．クライナー著、立体的サーボ空気式並列ロボットの理論的モデル構成、コンピュータシミュレーション及び制御、カッセル大学学位請求論文、専攻領域・機械製造、専攻分野・制御工学、シャーカー出版社、２００２年刊)で詳しく説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】重畳形ステアリングシステムの概略図を示す。
【図２】図１の重畳形ステアリングシステムのための制御構造の概略ブロック構成図を示す。
【図３】本発明に基づく制御構造の第１実施形態の概略ブロック構成図を示す。
【図４】本発明に基づく制御構造の第２実施形態の概略ブロック構成図を示す。
【図５】本発明に基づく制御構造の第３実施形態の概略ブロック構成図を示す。
【符号の説明】
【００３０】
１  重畳形ステアリングシステム
２  ステアリングホイール
３  カルダン軸
４  ステアリングギヤ
５ａ、５ｂ  かじ取り可能な車輪
６  ラック
７  ピニオン
８  重畳手段
９  重畳操作部、電動機
１０  遊星歯車装置
１１  電子制御装置
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ  センサ
１３、１３’、１３”、１３”’制御構造  
１３ａ、１３ｂ  制御部
１３’、１３”ｃ、１３”’ｃ  非線形補償コントローラ
１４  制御対象
１５  外乱
１６  信号処理部
１７  作動機構
１８ａ、１８ｂ  微分前置フィルタ
１９、１９’、１９”  極点設定装置
２０  ＦR推定装置
２１  システム誤差の補償のための不連続コントローラ
δFm  かじ取り可能な車輪の角
δG  ピニオン角
δM  操作角
δMd  目標トルク
δS  ステアリングホイール角
ｐL  圧力差
ｖx  車速
Ｉu、Ｉv、Ｉw  相電流
Ｕu、Ｕv、Ｕw  相電圧
λ  モデル誤差に関する係数
Ｋ0、Ｋ1、Ｋ2、ＫSM     コントローラ係数
【図１】
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【図２】
2007204034.tif 000004
【図３】
2007204034.tif 000005
【図４】
2007204034.tif 000006
【図５】
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